三維動畫工程設(shè)計論文
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水利工程建設(shè)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，設(shè)計周期長、投資大、主體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有標(biāo)準(zhǔn)化程度低、協(xié)同配合要求高等特點，并且專業(yè)涉及面廣，包括測繪、地質(zhì)、土木、建筑、機(jī)械、給排水等多個專業(yè)，各專業(yè)之間存在著相互聯(lián)系又相互制約的關(guān)系，且各專業(yè)的二維圖紙表達(dá)抽象，其他專業(yè)參照非本專業(yè)圖紙較難理解。因此，在水利工程展示中采用三維動畫表達(dá)設(shè)計意圖具有以下3點現(xiàn)實意義：
1）清晰展示工程建筑物主體結(jié)構(gòu)
三維動畫可從多視角將工程建筑的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、布置準(zhǔn)確地表達(dá)出來，在模型基礎(chǔ)上，能夠任意觀察壩工、廠房等專業(yè)建筑結(jié)構(gòu)。相較于用工程圖紙加上說明的表達(dá)形式，更能直觀地讓人感受到工程建筑的形態(tài)，突破了二維的局限性。
2）明確展示各專業(yè)的設(shè)備布置
水利工程廠房專業(yè)中布置了電氣、暖通、水機(jī)等各專業(yè)設(shè)備，一般二維展示只能根據(jù)各個專業(yè)的相關(guān)圖紙作基本位置的介紹，通過數(shù)字標(biāo)高識別各設(shè)備布置的高程。通過三維動畫展示，能清楚地表達(dá)各個專業(yè)在真實場景中相互交錯的關(guān)系，一些本身具有運動工作性質(zhì)的設(shè)備，還能模擬其工作過程并真實地表達(dá)出來。
3）直觀展示水利樞紐的工作原理及施工過程
通常為了說明重要的技術(shù)點，用簡單的、示意性的平面圖形來反映復(fù)雜的原理過程，不容易表達(dá)清楚三維空間上的真實內(nèi)容，而且還要求工作人員具備良好的抽象理解能力和很強(qiáng)的專業(yè)知識。用三維動畫表現(xiàn)動態(tài)的水利樞紐、展示水利工程的工作原理及施工過程等則非常直觀而清晰，也是對重點工程項目技術(shù)、工藝闡釋的深化和重要延伸。
2.三維動畫制作流程
三維動畫借助計算機(jī)對所表現(xiàn)對象的形狀、尺寸建立模型以及場景，為模型賦予特定材質(zhì)，設(shè)置模擬燈光，再根據(jù)要求設(shè)定模型的運動軌跡、虛擬攝影機(jī)的運動和其他動畫參數(shù)，通過計算機(jī)的自動運算生成一組靜態(tài)圖片，將這些靜態(tài)圖像高速播放，從而產(chǎn)生動態(tài)效果，之后添加字幕、圖像、音頻等效果，最后得到工程演示動畫，。實現(xiàn)三維動畫流程的Bentley軟件模塊主要有Architecture、Structural、GEOPAK、MicroStation的渲染模塊以及后期處理軟件AfterEffects等，可根據(jù)需要，結(jié)合各軟件的優(yōu)勢綜合利用。
2.1模型的建造
基于筆者所在單位三維可視化協(xié)同設(shè)計平臺，利用MicroStation基礎(chǔ)軟件和包括測繪、地質(zhì)、建筑、結(jié)構(gòu)、管路、電氣、暖通、給排水、校審和全生命周期數(shù)據(jù)管理等涵蓋水電設(shè)計所有專業(yè)的專業(yè)模塊的強(qiáng)大功能，各個專業(yè)能夠同時進(jìn)行模型建造并實時協(xié)同。相較于傳統(tǒng)建模軟件，如Sketchup、3DMAX等更能精準(zhǔn)、快速地完成模型建造。利用MicroStation軟件的優(yōu)勢，最終能得到尺寸精確、細(xì)致、仿真度極高的壩區(qū)地形、擋水建筑物、通航建筑物、地下廠房模型、施工場地、公路等工程模型。
2.2材質(zhì)及燈光的選擇
材質(zhì)的處理，可在MicroStation中的渲染模塊用軟件自帶的材質(zhì)，也可根據(jù)需求，替換任意其他材質(zhì)，操作簡單便捷。三維動畫與水利工程建筑物相關(guān)的材質(zhì)種類不多，主要有混凝土、鋼筋、石頭等。由于水工建筑物的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但真實場景中材質(zhì)的同一種色調(diào)在三維展示中運用略顯單調(diào)，并且難以清晰地表現(xiàn)建筑物各部分的銜接情況。為此，對同一種材質(zhì)也需收集多種顏色或紋理不同的樣本。燈光方面，可利用MicroStation中的渲染模塊功能可以模擬室內(nèi)、室外多種光源，表達(dá)形式也多樣化，如點光源、線光源、片面光源、太陽光源等。各專業(yè)結(jié)構(gòu)及布置情況展示的三維動畫對燈光的要求并不高，只需確保所展示的建筑物清晰可見，具有少量陰影即可。外部場景則需要對燈光的色彩、強(qiáng)度、衰減、陰影等方面進(jìn)行詳細(xì)考慮，以達(dá)到仿真效果。
2.3路徑的編輯及動畫設(shè)置
三維動畫的最大優(yōu)點，就是能夠多角度查看工程場景，在現(xiàn)實中無法拍攝的角度，在三維動畫中能輕松展現(xiàn)，只需在場景中設(shè)置好行進(jìn)路徑，并設(shè)置相機(jī)位置及目標(biāo)點位置。在水利工程建筑中，室內(nèi)展示受到建筑布局及結(jié)構(gòu)的影響，可能出現(xiàn)視角被遮蓋、行進(jìn)過程中遇到專業(yè)設(shè)備阻攔等情況，為了能使建筑及專業(yè)設(shè)備能更專題研究Special Research好地被觀看，有時會根據(jù)場景需要，對建筑物進(jìn)行剖切、隱藏墻體或半透明化處理以達(dá)到最佳的展示效果。
2.4渲染輸出及后期合成
渲染輸出時根據(jù)三維動畫場景的時間長短，單張圖片為一幀，以每秒25幀形成動態(tài)效果。MicroStation能進(jìn)行渲染輸出連續(xù)的靜態(tài)圖片，渲染則由計算機(jī)自動操作。后期合成是將渲染輸出的圖片素材進(jìn)行加工處理，添加文字、標(biāo)注、顏色顯示框甚至聲音效果等，之后合成AVI、MOV等視頻格式的動畫，這一步驟主要在AfterEffects后期處理軟件及AdobePremiere視頻編輯軟件中完成。后期合成是水利工程三維動畫制作較為重要的一部分，能在三維動態(tài)展示的基礎(chǔ)上，添加更為清楚的解說及標(biāo)識。
3.三維動畫在水利工程中的實際應(yīng)用
筆者所在單位根據(jù)勘測設(shè)計技術(shù)市場及業(yè)主的需求，于2010年底成立了數(shù)字工程中心，其中，三維室主要推廣三維可視化協(xié)同設(shè)計，以托巴水電站、蟠龍抽水蓄能電站等各水利工程項目為依托，在協(xié)同平臺上利用三維建模，成功地將工程項目從二維轉(zhuǎn)化為三維，模擬出真實、精確的現(xiàn)實工程。在此基礎(chǔ)上，將模型以三維動畫的形式展示出來，更直觀地闡述工程技術(shù)原理，促進(jìn)科研開發(fā)與成果推廣工作水平進(jìn)一步提升。
4.結(jié)語
在水利工程的設(shè)計過程中使用三維動畫技術(shù)，為設(shè)計者提供具有真實感的三維視覺模型，以便在工程設(shè)計階段既可在計算機(jī)上看到工程的未來景象，階段性成果匯報中也有展示性強(qiáng)的匯報素材。借助計算機(jī)三維模型可以對設(shè)計方案進(jìn)行可視化分析和評價，從而檢驗設(shè)計方案是否得當(dāng)、樞紐布置是否合理等。三維可視化具有高效、直觀的特點，在水利水電工程中的應(yīng)用將有助于推動水利水電工程向數(shù)字化、可視化和智能化方向發(fā)展。
作者：李琳琪 單位：中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院